Eine der größten Aufgaben des 21. Jahrhunderts ist es, genug Lebensmittel, natürliche Fasern für Textil und Papier, Baumaterial, grüne Chemikalien, Energie sowie Biosprit für einen ständig wachsenden Bedarf herzustellen. Und das — in Zeiten des Klimawandels — möglichst ohne die Umwelt zu stark zu belasten oder zu viel Land zu verbrauchen. Klingt schwierig. Allerdings ist die Lage nicht ganz so düster. Denn es gibt durchaus Möglichkeiten, die Ernten zu steigern oder Pflanzenschädlinge zu bekämpfen, ohne gleich allzu tief in die Chemiekiste zu greifen. Das Wundermittel heißt PGPM (Plant Growth Promoting Microorganisms), zu Deutsch wachstumsfördernde Mikroben. In einer neuen Übersichtsstudie haben Forscher die Möglichkeiten der Verwendung von Mikroorganismen in der Landwirtschaft zusammengefasst.
Intelligenz im Boden
Unter PGPMs fasst man die im Boden natürlich vorkommenden Mikroorganismen zusammen, die mit Pflanzen zusammenarbeiten können. Berühmt ist beispielsweise die Symbiose zwischen Leguminosen und Knöllchenbakterien, die der Pflanze Stickstoff liefern und dafür im Gegenzug Produkte aus der Photosynthese erhalten. Oder die Verbindung von Mykorrhizapilzen mit Bäumen, von denen man weiß, dass sie ein unterirdisches Netzwerk bilden, über das nicht nur Nährstoffe für die Pflanzen zur Verfügung gestellt, sondern auch Informationen ausgetauscht werden. Mittlerweile sind noch diverse andere Mikroorganismen bekannt, die mit den Pflanzen kooperieren. Sie unterstützen diese bei der Nährstoffgewinnung und verbessern so Quantität und Qualität der Ernten, indem durch sie mehr Biomasse gebildet und die Anteile gesunder Inhaltsstoffe in den Lebensmitteln gesteigert werden. Sie greifen aber auch in die Produktion von Phytohormonen ein, die die Pflanze beim Wachstum unterstützen oder helfen den Pflanzen in dem sie Antibiotika oder zellwandauflösende Enzymen produzieren, die Pflanze im Kampf gegen Pathogene helfen. Sie sind aber auch in der Lage, kontaminierte Böden wieder nutzbar zu machen. Arbuskuläre Mykorrhiza können Schwermetalle in ihre Arbuskeln einlagern und so dem Boden entziehen oder Pflanzen dazu anregen, große Mengen an Schwermetallen einzulagern und so den Boden zu dekontaminieren. Ebenfalls ist es möglich, durch PGPMs ausgelaugte Böden wieder in nutzbares Ackerland umzuwandeln. „Ganz nebenbei“ sorgen PGPMs durch ihre das Pflanzenwachstum unterstützenden Eigenschaften für mehr Biomasse ober- und unterhalb der Erdoberfläche und damit für besseres Klima, bessere Wasserhaltekapazitäten im Boden und für weniger Bodenverluste durch Erosion.
Tausendsassa in der Landwirtschaft
Diese lange Liste an Vorteilen für die Landwirtschaft macht PGPMs natürlich zu einem Ziel intensiver Forschung. Denn durch ihre Anwendung könnte man den Verbrauch synthetisch hergestellter Dünger und Pflanzenschutzmittel herunterfahren und so die negativen Auswirkungen auf Mensch und Umwelt minimieren, verseuchte Flächen säubern, ausgelaugte Böden wiederbeleben und Erosion eindämmen. Gelangt weniger Stickstoff und Phosphat in die Böden, verringert sich auch die Auswaschung in Grund- und Oberflächengewässer, die Eutrophierung wird geringer, aber auch die Freisetzung von Treibhausgasen. Und der Trend zu biologischen Mitteln mit PGPMs hat steigende Tendenz. In den letzten Jahren betrug der Jahresumsatz für biologische Mittel etwa 2,3 Milliarden Dollar, wovon etwa zwei Drittel Produkte mit Mikroorganismen waren. Der globale Markt für biologische Inokula (Animpfkulturen) wird für das Jahr 2011 mit etwa 156 Millionen US-Dollar beziffert, für das Jahr 2017 werden etwa 259 Millionen US-Dollar erwartet. Zunehmend gefragt sind zum Beispiel Biopestizide: Die globalen Ausgaben für Biopestizide betrugen 20111,3 Milliarden Dollar und werden 2017 voraussichtlich 3,2 Milliarden Dollar erreichen. Zudem schätzt man, dass die jährliche Wachstumsrate im Bereich der Biopestizide mit 16 Prozent diejenige der synthetischen Pestizide (3 Prozent) deutlich übersteigt. Aktuell gibt es rund 1400 Biopestizide auf dem globalen Markt. Davon werden 40 Prozent in den USA ausgebracht, und je 20 Prozent in Europa und Ozeanien.
(Noch) nicht alles gut
Aber trotz aller Vorteile gibt es auch Punkte, die erst noch verbessert werden müssen bevor eine Nutzung von PGPMs in größerem Stil möglich wird. Probleme gibt es beispielsweise bei biologischen Düngern: Schlechte Lagerfähigkeit, das Fehlen geeigneter Trägersubstanzen und entsprechender Verordnungen für die Anwendung stehen einer Verwendung in größerem Ausmaß offenbar noch entgegen. Daher liegen biologische Dünger im globalen Markt noch weit hinter synthetischen Düngern zurück: Nach Zahlen der FAO sind nur 20 Prozent der global verwendeten Dünger biologische Dünger. Andere Probleme sind noch umfassender: So sind manche für die Nutzung infrage kommende Mikroorganismen als Pathogene bekannt, so dass hier erst die Risiken abgewogen werden müssen, bevor sie in größerem Umfang verwendet werden können. Der Klimawandel könnte die Verwendung von PGPMs außerdem einschränken: Denn es gibt zunehmend Hinweise darauf, dass klimatische Veränderungen die Interaktion zwischen Pflanze und Mikrobe verändern können. Eine weitere Frage ist die Ausbringung von verkapselten Mikroorganismen: Hier könnte die Nanotechnologie viele Vorteile liefern. Aber auch hier muss zunächst abgeklärt werden, wie sich die Ausbringung von Nanopartikeln in die Umwelt langfristig auswirken wird.
Zusammenarbeit ist wichtig
Um die Vorteile der Mikroorganismen auch in Zukunft stärker nutzen zu können, ist daher eine verstärkte interdisziplinäre Forschung nötig, die neben den direkten Auswirkungen auf die Pflanzen auch die möglichen Auswirkungen auf Mensch und Umwelt mit berücksichtigt. Wichtig ist hier eine Zusammenarbeit zwischen der Biotechnologie- und Pflanzenforschung, der Umwelt- und Klimaforschung und verschiedenen wirtschaftlichen Bereichen wie der Agrarindustrie und der Materialforschung. Dann könnten sich die PGPMs als große Chance für eine nachhaltige und umweltschonende Landwirtschaft erweisen, die es schafft, den weltweit stetig wachsenden Bedarf an Lebensmitteln auch in Zukunft zu decken.
Originalpublikation
Abhilash, P.C. et al. (2016): Plant growth promoting Microorganisms for environmental sustainability. In: Trends In Biotechnology, 1390, (2. Juni 2016), doi: 10.1016/j.tibtech.2016.05.005. Quelle: Pflanzenforschung.de
